利用神经元放电活动在神经生理学实验中触发闭环刺激

摘要

本方案演示了如何使用电生理系统，根据神经元活动模式触发闭环刺激。同时还提供了可轻松修改以适配不同刺激设备的示例 Matlab 代码。

摘要

闭环神经生理系统利用神经元活动模式来触发刺激，进而影响大脑活动。这类闭环系统已应用于临床，并且是基础脑科学研究的重要工具。近年来一个特别引人关注的发展是将闭环方法与光遗传学技术相结合，使得特定的神经元活动模式能够触发对选定神经元群体的光学刺激。然而，建立用于闭环实验的电生理系统可能较为困难。本文提供了一套可直接应用的 Matlab 代码，用于根据单个或多个神经元的活动来触发刺激。该示例代码可根据具体需求轻松修改。例如，代码展示了如何触发声音刺激，以及如何修改以触发连接至计算机串口的外部设备。所介绍的实验方案设计为与一种广泛用于动物研究的神经记录系统（Neuralynx）配合使用。文中在清醒大鼠中演示了闭环刺激的实现过程。

引言

本实验方案的目的是演示如何在神经生理学实验中实施闭环刺激。神经科学领域中闭环实验的典型设置是基于神经元活动的实时读取来触发刺激。这反过来会引起大脑活动的改变，从而形成反馈回路^1,2。相较于标准的开环实验设置，此类闭环实验具有多种优势，尤其是与光遗传学技术结合时，后者使研究人员能够靶向特定的神经元亚群。例如，Siegle 和 Wilson 利用闭环操控来研究θ振荡在信息处理中的作用³。他们证明，在θ振荡的下降相刺激海马神经元对行为的影响，与在上升相进行相同刺激的效果不同。闭环实验在临床前研究中也正变得越来越重要。例如，多项癫痫研究表明，在癫痫发作起始时触发神经刺激是减轻发作严重程度的有效方法^4,5,6。此外，用于自动检测癫痫发作并随之递送治疗的系统^7,8在癫痫患者中显示出显著益处^9,10,11

方案

本文所述所有操作均在莱斯布里奇大学动物福利委员会批准的动物研究方案下进行。

1. 手术

注意：用于植入神经生理记录探针的手术操作已在其他出版物中介绍过^24,25,26。闭环刺激手术的具体细节取决于所使用的记录探针类型以及目标脑区。然而在大多数情况下，典型的手术通常包括以下步骤。

1. 将装有一只待植入硅胶探针或电极阵列以记录神经元活动的大鼠的笼子带入手术室。
2. 使用2-2.5%异氟烷麻醉啮齿动物，并将头部固定在立体定位仪上。通过观察动物对轻微触觉刺激是否有运动反应，确保其在手术期间处于无意识状态²⁵。
3. 涂抹眼膏，以尽量减少手术期间角膜干燥。
4. 剃除手术区域的毛发，并使用2%氯己定溶液和70%异丙醇对皮肤进行消毒。
5. 在电极拟植入脑区对应的头皮下注射利多卡因（5 mg/kg）。
6. 在拟植入区域的头皮做切口，使用手术刀和棉签清除暴露颅骨上的骨膜²⁵。
7. 在颅骨上钻4-8个孔，用于植入固定螺钉（约0.5 mm），为植入物提....

结果

实验前两周，对在本机构出生并饲养的Fisher-Brown挪威大鼠进行抓握适应训练。通过外科手术植入记录电极，方法类似于先前报道的技术^{28,29,30,31,32,33,34}。神经信号使用数字采集系统以32 kHz的采样率进行记录。神经信号首先通过一个单位增益的无线前置放大器放大，随后以1000倍增益进一步放大，并在600至6,000 Hz之间进行带通滤波。当神经放电信号超过手动设定的幅值阈值（通常为48–60 µV）时，系统会自动保存这些信号，然后将其分类为不同的簇群。因此，每个簇群可能代表来自不同神经元的动作电位²⁷。在本实验.......

讨论

本文所述方案展示了如何使用标准的神经生理记录系统进行闭环刺激。该方案使神经科学领域中计算机专业知识有限的研究人员能够以较低成本快速实施多种闭环实验。此类实验对于研究大脑中的因果相互作用通常是必需的。

在完成动物准备和软件安装（步骤1和2）后，闭环实验包含两个独立阶段。首先，进行初始数据采集（步骤3），以收集数据并定义对应于单个神经元活动的模板（即， spike sorting；步骤3.5）。其次，进行闭环刺激，其中新记录到的神经元放电将被实时自动分配到预定义的聚类中，并在检测到来自特定神经元的放电时触发刺激（步骤4）。所提供的Matlab脚本（见补充材料）演示了基于单个神经元活动以及多个选定神经元活动来触发不同刺激的方法。后一种方式尤为重要，因为人们认为神经元是以群体形式（例如，神经元集群^35,36）来处理信息的。因此，基于神经元群体活动模式触发刺激可能是回答广泛研究问题的关键工具。闭环控制期间的数据流程如

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
拜耳灵	Bayer, Mississauga, CA	DIN 02169428	抗生素；50 mg/mL
Cheetah 6.4	NeuraLynx, Tucson, AZ	6.4.0.beta	用于数据采集的软件接口
Digital Lynx 4SX	NeuraLynx, Tucson, AZ	4SX	记录设备
头戴式发射器	TBSI	B10-3163-GK	将神经信号传输至接收器
异氟烷	Fresenius Kabi, Toronto, CA	DIN 02237518	吸入性麻醉剂
Jet Denture Powder & Liqud	Lang Dental, Wheeling, US	1230	牙科丙烯酸树脂
拉克瑞润滑膏	Allergan, Markham, CA	DIN 00210889	眼用软膏
利多卡因-2	Rafter 8, Calgary	DIN 00654639	局部麻醉剂；20 mg/mL
Matlab	Mathworks	R2018b	用于信号处理及触发外部事件的软件
美达康	Boehringer, Ingelheim, DE	DIN 02240463	镇痛药；5 mg/mL
Netcom	NeuraLynx	v1	与 Cheetah 通信的应用程序编程接口（API）
硅胶探针	Cambridge Neurotech	ASSY-156-DBC2	植入式装置
SpikeSort 3D	NeuraLynx, Tucson, AZ	SS3D	动作电位波形到细胞分类的工具
无线射频接收器	TBSI	911-1062-00	将神经信号传输至 Digital Lynx